книги из ГПНТБ / Автоматическое управление газотурбинными установками

Обычно отказы, возникающие в системах автоматического управле­ ния, подразделяют на внезапные, постепенные и кратковременные. В н е з а п н ы е ( к а т а с т р о ф и ч е с к и е ) о т к а з ы воз­ никают в результате резкого, скачкообразного изменения главных параметров системы, и обычно приводят к полному нарушению ее работоспособности. Внезапные отказы могут явиться следствием и постепенных изменений параметров, которые остались незамечен­ ными либо из-за несовершенства методов контроля, либо из-за недо­ статочно хорошо организованной системы профилактики.

П о с т е п е н н ы е о т к а з ы проявляются в плавном изме­ нении параметров системы. Эти изменения обычно накапливаются медленно под воздействием внешних условий и приводят в большин­ стве случаев к ухудшению функционирования системы, что может

их возникновения во многих случаях лежит вне рассматриваемой системы. Следует подчеркнуть условность приведенной классифи­ кации отказов.

При оценке надежности газотурбинной установки и ее системы управления основное внимание обычно уделяется внезапным отка­ зам. Результатом отказа системы управления могут быть следующие события: 1) ГТУ не запускается в нужный момент (отказ пуска), 2) ГТУ останавливается без действительной надобности (ложная остановка), 3) ГТУ не Останавливается в нужный момент, например при возникновении аварийной ситуации (отказ типа несрабатывание).

Для количественной оценки надежности системы автоматиче­

отказов ремонтируемого изделия в единицу времени, взятое для рассматриваемого момента или отрезка времени. На практике сред­ нее число отказов тср (t) можно определить из наблюдения за испы­

Точное значение ш (і) определяется как предел этой дроби при ІѴ-*-оо и Аt -э-0. В большинстве практических случаев параметр

2 0 2

со (£) = ю = const.

Н а р а б о т к а н а о т к а з , или среднее время безотказной работы, — среднее время наработки ремонтируемого изделия между

После периода приработки, т. е.

при t > f0,

интервале времени или в пределах заданной наработки отказ системы не возникнет. Вероятность безотказной работы обычно обозначают р (£), а ее численное значение определяют но формуле

_ j_ р (£) = e~mt = е т.

Событием, противоположным безотказной работе, является отказ. Вероятность возникновения отказа за время наработки t

q{t) = i —р (£).

Из графика р (£) (рис. VI.1) видно, что вероятность безотказной работы падает с ростом наработки t. В частности, в том случае, когда время наработки равно времени наработки на отказ (t = Т),

p(t) —0,37, g(£) = 0,63.

Для характеристики надежности системы автоматики, явля­ ющейся ремонтируемой системой, важное значение имеет с р е д н е е в р е м я в о с с т а н о в л е н и я , определяемое как среднее время простоя, вызванного отысканием и устранением одного отказа. В общем случае время простоя является величиной случайной и среднее время восстановления

m

203

где т — общее число обнаруженных и устраненных отказов; tL — время, затраченное на обнаружение и устранение г'-го отказа.

Очевидно, чем меньше Тв, тем работоспособнее система, выше ее надежность. Влияние времени восстановления на надежность системы учитывается коэффициентом готовности — удобной и часто используемой характеристикой надежности восстанавливаемой си­ стемы. К о э ф ф и ц и е н т г о т о в н о с т и определяется как вероятность того, что система будет работоспособна в произвольно' выбранный момент времени в промежутках между выполнениями планового технического обслуживания: К г =Т/(Т + ТВ).

Виды отказов

Отказ системы всегда приводит к экономическим потерям, причем размер этих потерь значительно возрастает с увеличением мощности газотурбинного агрегата. Величина потерь определяется не только уменьшением количества транспортируемого газа, но и тем влиянием, которое оказывает процесс пуска или остановки на долговечность газотурбинного агрегата. Как известно, именно в процессе пуска

иостановки ответственные узлы агрегата испытывают максимальные напряжения, связанные со значительными градиентами температуры

иускорениями. Это обстоятельство дает основание приравнивать каждый пуск наработке определенной длительности и выражать ресурс агрегата не только в часах, но и числом пуско-остановочных операций (иногда указывают, что ревизию агрегата следует проводить по истечении определенного времени работы, например 8000 ч, или после определенного числа пусков, например 25).

Сэтой точки зрения, отказ пуска является серьезным событием только в том случае, если он происходит на заключительном этапе пуска, когда скорость вращения агрегата и температура газа близки к номинальным. Наиболее опасным является отказ-несрабатывание, когда в результате возникновения отказа в системе управления на­ рушается одна из основных ее функций — защита агрегата экстрен­ ной остановкой от развития аварийной ситуации. Нарушения такого типа могут привести к полному разрушению агрегата. На практике отказы системы автоматики в процессе пуска встречаются относи­ тельно редко. Надо, правда, оговориться, что это обстоятельство, является, по-видимому, следствием того, что автоматический способ пуска медленно внедряется в практику эксплуатации и обслужива­ ющий персонал стремится «дотянуть» начатый пуск до конца любой ценой.

Среди причин непрохождения пуска наиболее часто называют две: отказ зажигания и отказ в перестановке технологических кранов.

Зажигание топлива в камере сгорания — сложный процесс, на­ дежность протекания которого определяется работой запального устройства и тем, как организована подача газа и воздуха в зону воспламенения. На многих газовых турбинах в качестве воспламе­ нителя использовалась свеча поверхностного разряда. Искра обра­

204

зуется на ее торце — на поверхности специального материала, за­ полняющего кольцевой .промежуток между электродами. Такое расположение искры создает определенные трудности в подаче то­ плива и воздуха в зону воспламенения. Это обстоятельство в соче­ тании с относительно невысокой мощностью искры приводят к частым отказам системы зажигания. Несмотря на то, что такой отказ не свя­ зан с возникновением серьезных напряжений в деталях агрегата, он весьма неприятен, так как может существенно затянуть процесс пуска.

В более совершенных воспламенителях, применяемых в послед­ нее время, используется автомобильная искровая свеча А14У с воз­ душным промежутком, возбуждаемая от катушки зажигания Б-200 с встроенным прерывателем. Хорошо организованная подача горю­ чей смеси в сочетании с мощной пространственной искрой обеспе­ чивают хорошее зажигание топлива и практически полное отсут­ ствие отказов на этой операции.

Отказ в перестановке технологического крана особенно неприятен, если эта перестановка осуществляется на заключительном этапе пуска. В этом случае отказ сопровождается большой потерей вре­ мени и липшим циклом пуско-остановочных напряжений в узлах агрегата. Причиной отказа в большинстве случаев является неисправ­ ность самого крана, его узла управления или конечного выключателя. Наиболее часто отказы возникают в зимнее время из-за выпадания влаги из плохо осушенного газа. Опыт передовых компрессорных станций показывает, что при хорошей осушке воздуха, тщательной наладке механической части крана, своевременной набивке муль­ типликатора и внимательном наблюдении за состоянием узлов упра­ вления и конечных выключателей удается свести число отказов к ми­ нимуму. Важную роль в уменьшении числа отказов по перестановке кранов играет схема автоматического контроля целости цепи упра­ вления краном, включающей в себя соленоид узла управления и контакт конечного выключателя.

За последнее время осуществлен переход на пуск агрегатов под давлением газа (см. гл. II), при котором перестановка кранов осу­ ществляется на первом этапе пуска. Благодаря этому снижается вероятность отказов в перестановке и резко уменьшаются вредные последствия такого отказа. Следует также ожидать, благоприятного эффекта и.от предполагаемой замены контактных конечных выклю­ чателей на бесконтактные.

Опыт эксплуатации систем автоматики на компрессорных стан­ циях показывает, что большая часть фиксируемых отказов является отказами типа «ложное срабатывание». Отказы этого типа возникают в цепях защиты и приводят к ложной, необоснованной остановке агрегата. Большинство ложных остановок газотурбинных агрегатов происходит из-за перебоев в электроснабжении, неисправностей контрольно-измерительных приборов и сбоев в работе кранов.

Как показывает статистика, причина примерно 50% всех вынужденных остановок — перерывы в подаче электроэнергии.

205

Основные типы газотурбинных установок, используемых на компрес­ сорных станциях, не являются полностью автономными. Для их нор­ мальной работы необходима постоянная подача-электроэнергии, в ча­ стности для питания двигателей маслонасосов системы уплотнения и двигателей системы охлаждения масла. Таким образом, исчезно­ вение переменного тока проявляется прежде всего в снижении пере­ пада давления между газом и маслом уплотнения. Затем из-за нару­ шений в работе системы охлаждения масла может возрасти до опасных пределов температура подшипников. Следовательно, исчезно­ вение переменного тока, являясь отказом, внешним по отношению к системе автоматики, проявляется через срабатывание защиты как ложная остановка.

Большое число аварийных остановок объясняется низкой надеж­ ностью системы питания на компрессорных станциях. Для нормаль­ ной работы оборудования необходимо обеспечить резервирование питания с автоматическим включением резерва. Цепь защиты строится обычно следующим образом.

При отключении питания останавливаются маслонасосы уплотне­ ния и снижается перепад давления между уплотняющим маслом и газом. По сигналу о падении перепада после некоторой выдержки времени агрегат останавливается. Если в течение этой выдержки перепад восстанавливается, система возвращается в исходное со­ стояние без последствий.

Продолжительность времени отсчета определяется, с одной сто­ роны, емкостью аккумулятора масла, который поддерживает необ­ ходимое минимальное превышение давления масла уплотнения над давлением газа, а с другой — временем, необходимым для восста­ новления напряжения питания или для включения резерва. Для уменьшения вероятности ложных остановок необходимо стремиться к тому, чтобы время опорожнения аккумулятора было больше времени включения резерва, поэтому надо установить продолжитель­ ность отсчета больше времени включения резерва и меньше времени опорожнения бачка. Обычно, учитывая реальные размеры аккуму­ лятора масла, продолжительность отсчета нельзя устанавливать больше 3—5 мин.

При этом надо, однако, учитывать, что при отключении перемен­ ного напряжения перестают работать контрольно-измерительные приборы, являющиеся датчиками в наиболее важных защитных цепях: фотореле, автомат температурной запреты и др. Для этих цепей нельзя допускать пятиминутного перерыва функционирования, поэтому для избежания ложных остановок приходится идти на усложнение системы. При этом стремятся использовать для питания контрольно-измерительных приборов аккумуляторную батарею, надежность которой как источника питания достаточно Высока. Достигнуть этого можно созданием приборов, питающихся как от сети переменного тока, так и от аккумуляторной батареи. Такая возможность предусмотрена, например, у фотореле «Пламя» и вибро­ аппаратуры АВКС-2.

206

Однако, если такое решение, связанное с усложнением и удоро­ жанием аппаратуры, можно считать приемлемым для приборов спе­ циального назначения (например, фотореле), то для приборов обще­

разно. Более перспективным является использование преобразо­ вателей напряжения аккумуляторной батареи в напряжение пере­ менного тока. В 1971 г. проведены испытания такой системы с исполь­ зованием вращающегося преобразователя ПТ-5 и принято решение о их внедрении на компрессорных станциях, где особенно часто случаются перерывы в электропитании. Более высокой надежностью, чем у вращающихся преобразователей, должны обладать полупро­ водниковые устройства — статические преобразователи. Проводятся интенсивные работы по подготовке их внедрения на компрессорных станциях.

Наиболее характерным примером ложной остановки, возни­ кающей из-за неправильной работы контрольно-измерительных при­ боров, является возникновение аварийного импульса на выходе электронного моста при обрыве термометра сопротивления или соединительной линии между ним и мостом. Причины возникновения ложного сигнала, а также один из наиболее простых способов пре­ дотвращения этого явления описаны в гл. II. К сожалению, полно­ стью устранить ложные остановки такого типа не удается, так как все способы пригодны только при резком изменении напряжения, снимаемого с измерительного моста (полный обрыв провода). Если повреждение развивается постепенно и сопровождается плавным ростом сопротивления, то в какой-то момент возникновение аварий­ ного сигнала неизбежно, так как нет способа отличить повышение сопротивления, вызванное ростом измеряемой температуры, от та­ кого же увеличения сопротивления, но вызванного развивающимся дефектом провода или соединения проводов.

Часто возникают ложные сигналы на выходе контрольно-измери­ тельных приборов во время их включения или выключения. Так, из-за переходных процессов при резких и кратковременных скач­ ках питающего напряжения появляются ложные аварийные сигналы в потенциометрах ЭПП. В качестве другого примера приведем фото­ реле «Факел», у которого аварийный сигнал при погасании пламени формировался замыканием размыкающего контакта реле. Такой же эффект возникал и при исчезновении напряжения питания. Для предупреждения остановок такого типа включают аварийные кон­ такты приборов через замыкающий контакт реле напряжения — при исчезновении напряжения питания цепь защиты разрывается. Контакт реле напряжения при подаче питания замыкается с некото­ рой незначительной задержкой по времени, достаточной для окон­ чания переходных процессов в приборах.

Значительное число ложных остановок имеет своей причиной

207

Для узлов управления типа ЭПУУ-2 наиболее характерными и непри­ ятными эксплуатационными дефектами являются обрыв катушки соленоида, замыкание на землю и неспособность катушки соленоида выдерживать рабочий ток в течение длительного времени (более 90 сек). Замыкание на землю —весьма распространенный вид отказа и для контактных конечных выключателей ВК-700 и ВВ-5. Для них характерна также и потеря контакта в процессе эксплуатации, которая может быть устойчивой (из-за появления непроводящих налетов на контактах) или кратковременной (из-за вибрации или других причин).

Очень много неудобств создает также трудность настройки ко­ нечных выключателей на фиксацию открытого или закрытого поло­ жения крана. Из пары контактов, имеющихся в каждом конечном выключателе, удается использовать только один: либо замыкающий, либо размыкающий. Наличие указанных недостатков приводит к усложнению схемы управления краном (см. гл. ІУ) и заставляет, кроме того, предусматривать специальные защитные цепи иа случай возникновения тех или иных неполадок в крановом оборудовании. Таковы цепи контроля целостности цепей соленоидов, длительности нахождения соленоидов под током, положения кранов.

Наиболее важные функции имеет цепь контроля положения кра­ нов, так как при работе агрегата самопроизвольная йѳрестановка некоторых технологических кранов может послужить причиной серьезной аварии. Поэтому сигнал, возникающий в этой цепи, используется для экстренной остановки агрегата. Очевидно, что если такой сигнал возникает как следствие отказа какого-либо элемента, он приводит к ложной остановке агрегата. Бороться с лож­ ными остановками такого типа трудно, из-за указанных выше де­ фектов схемные ухищрения не позволяют избавиться от них пол­ ностью. Дефекты кранового оборудования — «застарелая болезнь» компрессорных станций, и в этой области давно назрела необходи­ мость принять решительные меры, чтобы существенно повысить надежность. Однако новые разработки (узел управления ЭПУУ-3, бесконтактный конечный выключатель БДПК), обладающие рядом несомненных преимуществ перед старыми, внедряются медленно и в недостаточном объеме.

Способы повышения надежности

Рассмотренные наиболее частые причины ложных остановок газотурбинных агрегатов являются следствием конструктивных особенностей или дефектов отдельных приборов и изделий. Конечно, было бы очень удобно использовать в системе управления приборы и устройства, при конструировании которых учтены все специфи­ ческие особенности их будущего использования. Однако большин­ ство приборов и средств автоматики предназначено для общепро­ мышленного применения, и замена их специализированными вряд ли реальна и, по всей видимости, экономически нецелесообразна. Поэтому использование описанных выше методов повышения на­

208

дежности системы в общем случае является неизбежным. Очевидно, что при этом возможность возникновения отказа (ложной остановки) не исключается полностью, лишь уменьшается вероятность этого

события.

Отметим также, что, отрицательно влияющие конструктивные особенности или дефекты используемой аппаратуры не являются единственной причиной ложных сигналов, последние могут быть следствием случайных отказов элементов, из которых собрана аппаратура. Так, обрыв провода катушки выходного реле прибора «Факел-4» приведет к ложному сигналу «Погас факел».

Рис. VI.2. Структура цепи защиты.

Д — датчик; МУ — измерительное устройство; У —уси­ литель; УС —устройство сравнения; М М —исполни­

тельный механизм.

Схематично цепь защиты агрегата по какому-либо параметру можно изобразить следующим образом (рис. VI.2).. Вероятность отсутствия ложных сигналов в течение наработки t обозначим pt (і). Эта величина может быть определена экспериментально на основе статистического материала, а при проектировании — на основе имеющихся данных о надежности элементов,' составляющих цепь. Если цень состоит из к элементов, характеризующихся вероятностью безотказной работы pk, и отказ любого из них равносилен отказу всей цепи (в этом случае говорят, что в надежностном смысле имеет место последовательное соединение элементов), то вероятность без­ отказной работы цепи равна произведению вероятностей безотказ­ ной работы составляющих ее элементов:

Pi (t) = П pk (t).

/t=l

Аналогично, если в системе защиты агрегата имеется п цепей защиты, т. е. автоматическая защита осуществляется по п параме­ трам, если все цепи в надежностном смысле соединены последова­ тельно и каждая из них характеризуется величиной pL(it), то вероят­ ность отсутствия ложных остановок агрегата за время t

П

р(0 = П Pi(t).

1=1

Обычно в системах управления газотурбинными агрегатами используется от 10 до 16 цепей защиты, поэтому для того, чтобы обеспечить приемлемое значение p(t), необходимо стремиться к вы­ сокой надежности отдельных каналов, т. ѳ. вероятность р { (t) должна быть близка к единице. Если используемая в. цепи защиты аппара­

тура не обеспечивает требуемого уровня надежности, для его дости­ жения необходимо прибегнуть к резервированию, которое может быть полным или частичным. При полном дублируются все звенья цепи защиты, при частичном — лишь те, надежность которых недо­ статочна.

Для снижения числа ложных остановок можно дублировать ка­ налы защиты и ставить условие, чтобы остановка происходила только в случае одновременного возникновения сигнала во всех резерви­ рующих друг друга каналах. Если вероятность ложного сигнала в каждой цепи защиты равна qt (t), то вероятность такого сигнала на выходе некоторого числа п взаимно резервирующих друг друга

Р(і) = і — Ы 01“.

Резервирование может быть постоянным или с замещением. При постоянном резервирующие друг друга цепи включены и действуют все время. Очевидно, что только такой способ может воспрепятство­ вать прохождению ложных сигналов. Но нетрудно видеть, что этот способ резервирования препятствует прохождению и истинных сигналов. Действительно, если обозначить через рк (t) вероятность безотказной работы каждой из резервирующих друг друга цепей (pk есть вероятность того, что возникший сигнал пройдет через цепь), то вероятность безотказной работы п цепей при описанном способе соединения выходов равна [pk (£)]п.

Противоречие, возникающее при стремлении обеспечить для ложного сигнала малую вероятность прохождения, а для истинного — большую, решается при помощи различного рода мажоритарных схем, или схем голосования. Примером использования такого рода схем является фотореле «Факел-4», в котором имеются три идентичных канала, выходные реле которых соединены по схеме два из трех. Сигнал на выходе фотореле возникает при наличии его на выходе любых двух каналов из трех действующих.

Если отвлечься от угрозы возникновения ложных остановок, то можно использовать резервирование с замещением. В этом слу­ чае предполагается постоянный или периодический контроль исправ­ ности резервируемой цепи и замещение ее резервной в случае выхода из строя. При этом как органы контроля исправности, так и устрой­ ства замещения могут' быть автоматическими или ручными. В том случае, если исправность проверяется периодически и неисправный элемент заменяется на исправный оператором, мы имеем, по сути дела, ремонт системы после профилактического осмотра.

Подлинное резервирование, являясь мощным средством повыше­ ния надежности системы, обладает в то же время и рядом недостат­ ков. Как и всякая избыточность, резервирование приводит к уве­ личению затрат, делает систему более громоздкой, требующей боль­ шего внимания и ухода при эксплуатации. Значительно экономичнее

210

метод профилактических проверок, также позволяющий существенно влиять на надежность системы по неисправностям типа отказ пуска и несрабатывание. Используемдля характеристики надежности системы коэффициент готовности Кг = Т/(Т + Тв). Рассматриваем отказы, которые могут быть обнаружены и устранены без остановки агрегата, т. е. практически все отказы, кроме вызывающих ложную остановку агрегата.

Коэффициент готовности тем выше, чем меньше время обнаруже­ ния и устранения неисправности. Вообще говоря, это время — ве­ личина случайная, но для упрощения будем считать, что оно всегда одинаково и равно Тв. Вероятность, что система работоспособна в момент времени t, определится как сумма вероятностей, что система не отказала в промежутке времени [0,1] и что отказавшая в этом промежутке система к концу его восстановлена *:

K T (t) = p { t ) + P i ( t ) .

При этом предполагается, что в момент времени нуль система была работоспособна. Ограничим рассмотрение величины К т интер­ валом времени Тк — периодом между двумя операциями контроля. Теперь в момент контроля система не обязательно исправна: с ве­ роятностью ра может быть исправна и с вероятностью ръ — не­ исправна, причем Ра + Ръ = 1. Тогда

Рі(і)=Рье~Ш(-1~Тв), '

где со — суммарный параметр потока отказов системы; Тв — время восстановления.

Таким образом,

^г(<) = Р0ен#Ч р 6е-ш(<-тв).

ной оказаться не может. Поэтому в этом интервале второй член в правой части последней формулы должен быть отброшен, и тогда

К Л ) = Р ае~ы (0< t < T B).

Из этих соображений, а также учитывая, что функция К т(t) должна быть периодической с периодом Тк и что обычно значение Тп весьма мало (особенно при блочных конструкциях), благодаря

чему е~аТв «й 1, можно получить выражение коэффициента готов­ ности в конце рассматриваемого периода времени, т. е. при t = Тк:

К г (Тк) ^ е - ыТ-.

Для момента времени Тв при тех же условиях получаем

& г (ДО ^ Р а + Р ь = 1-

. * Во избежание недоразумений укажем, что приведенное выше определе­ ние коэффициента готовности получается из этой формулы предельным пере­ ходом при і оо.